As tecnologias de sensores avançados permitem o monitoramento personalizado da qualidade do ar

Está tudo ao nosso redor, mas a menos que haja um problema, geralmente não nos preocupamos com o que está no ar que respiramos. Tanto em ambientes internos quanto externos, a má qualidade do ar pode ter um grande impacto em nossa saúde e bem-estar. Dois indicadores importantes para a medição da poluição do ar são pequenas partículas (PM) de 2,5 µm (mícrons) ou menos (PM2,5) e compostos orgânicos voláteis (VOCs). São, por exemplo, emitidos em residências por lareiras e velas durante os processos de combustão. Objetos do dia a dia, como produtos de limpeza, móveis ou tecidos, também podem emitir VOCs. Este artigo fornece insights sobre as novas tecnologias de detecção de PM2.5 e VOC que permitem o monitoramento pessoal da qualidade do ar para melhorar a saúde e o bem-estar das pessoas.

Monitoramento pessoal PM2.5

Sabemos que a exposição a partículas pode causar sérios problemas de saúde, e a Organização Mundial da Saúde (OMS) afirma:“Ao reduzir os níveis de poluição do ar, os países podem reduzir a carga de doenças de acidente vascular cerebral, doença cardíaca, câncer de pulmão e doenças respiratórias crônicas e agudas, incluindo asma. ” ¹

Embora o material particulado venha em uma vasta gama de tamanhos de partícula, o maior impacto para a saúde humana vem de partículas na faixa de PM2,5, ² que são menores do que 2,5 µm de diâmetro. Essas diminutas partículas de PM2,5 podem facilmente entrar profundamente nos pulmões e causar sérios problemas de saúde. Embora a pesquisa ainda esteja em andamento, há evidências de que a exposição ao PM2.5 pode estar associada à sensibilidade a doenças virais, incluindo SARS-CoV-2, conforme discutido em um estudo recente da Universidade de Harvard. ³

As estações oficiais de monitoramento da qualidade do ar fornecem apenas dados consolidados ou calculados para o ambiente externo, sem os dados do ar interno correspondentes. Eles não geram informações personalizadas e medem a qualidade do ar apenas em sua vizinhança imediata, que é calculada ao longo de um período de tempo e, portanto, carecem de informações em tempo real para rastrear o ambiente em rápida mudança ao nosso redor e para monitorar as flutuações nos níveis locais de PM.

Um dispositivo portátil de medição da qualidade do ar ou dosímetro para medição da poluição do ar - por exemplo, em nossos smartphones ou wearables - pode resolver esse problema. Até agora, os sensores PM2.5 eram simplesmente grandes demais para dispositivos móveis. A Bosch Sensortec desenvolveu recentemente uma tecnologia de sensor que agora pode tornar o monitoramento da exposição pessoal à poluição do ar uma realidade viável.

Com a nova tecnologia PM2.5 da Bosch, agora é possível integrar a detecção de PM2.5 em dispositivos móveis para medir a exposição diária de uma pessoa ao PM. O usuário pode ver dados e tendências sobre os níveis de poluição locais aos quais está sendo exposto. O monitoramento da exposição pessoal à poluição do ar (por exemplo, com o smartphone) permite que os usuários obtenham informações confiáveis ​​e transparentes, o que lhes permite agir e minimizar sua exposição ao PM2.5 de acordo com as diretrizes de qualidade do ar da OMS. ⁴ Isso pode ajudar a melhorar a saúde e o bem-estar das pessoas.

Por exemplo, Figura 1 mostra um aplicativo de demonstração PM2.5 Dosimeter que foi criado em colaboração com a empresa BreezoMeter. O aplicativo Dosimeter calcula a exposição diária de PM pessoal combinando dados de PM medidos localmente com a tecnologia de sensor PM 2.5 da Bosch e dados de poluição do ar BreezoMeter.

Figura 1:Dosímetro de medição de partículas

Tecnologia de sensor de partículas minúsculas

Os sensores ópticos convencionais de PM do consumidor dependem de um ventilador embutido para puxar o ar através de uma célula, onde a contagem de partículas é registrada e a concentração por unidade de volume é calculada. O problema com essa abordagem é o tamanho físico desse sensor, normalmente do tamanho de uma caixa de fósforos, tornando-o impraticável para uso em um dispositivo portátil plano como um smartphone.

A tecnologia exclusiva do sensor PM recentemente desenvolvida pela Bosch Sensortec só precisa do fluxo de ar ambiente natural para funcionar. É baseado em um princípio semelhante ao de uma câmera, em que três lasers seguros para os olhos Classe 1 são integrados atrás de uma tampa de vidro, de forma semelhante às câmeras em um smartphone.

Esta abordagem inovadora permite que a Bosch Sensortec desenvolva uma solução de detecção de PM com dimensões físicas dramaticamente menores, ocupando aproximadamente um quinhentésimo (0,2%) do volume de outras soluções no mercado. Essa redução no tamanho de uma cabeça de fósforo torna essa nova tecnologia ideal para medição pessoal de PM2.5 em dispositivos de consumo. Tem baixo consumo de energia, não necessita de manutenção e pode ser integrado a uma aplicação à prova d'água.

Detecção de VOCs

Outra fonte de preocupação aerotransportada é apresentada pelos compostos orgânicos voláteis (VOCs), que é um grupo bastante grande de gases quimicamente reativos que podem aparecer em qualquer sala. Com as pessoas normalmente passando 90% de sua vida em ambientes fechados, a concentração de VOCs no ar ambiente interno pode impactar significativamente nosso bem-estar e saúde.

Um sensor de VOC pode detectar uma ampla gama de gases tanto dentro de edifícios quanto ao ar livre, tais como compostos de (hidro-) carbono (por exemplo, álcool ou CO), compostos de sulfeto (causando cheiros desagradáveis, por exemplo, H ₂ S) e solventes (por exemplo, acetona). Eles vêm, por exemplo, de tintas, vernizes ou detergentes. Em uma casa inteligente, as informações de VOC ajudam a controlar vários dispositivos, como ligar e desligar o exaustor da cozinha ou iniciar um purificador de ar. Além disso, pode ser usado para gerar alertas; por exemplo, ao detectar um incêndio ou até mesmo comida estragada em uma geladeira. Os dados de VOC também podem ser usados ​​com outros aplicativos da Internet das coisas; por exemplo, otimizar a ventilação em um prédio de escritórios com base na qualidade do ar.

Figura 2:Impacto de VOCs e PM2.5 na qualidade do ar

Para medir VOCs, a Bosch desenvolveu um sensor de gás compacto e de alto desempenho. O BME680 é a menor solução do mundo que fornece monitoramento da qualidade do ar quatro em um. Ele pode medir a temperatura ambiente, pressão barométrica, umidade relativa e gases e está alojado em um 3 × 3 × 0,93 mm ³ pacote. Ele funciona na faixa de potência ultrabaixa, até menos de 0,1 mA.

O sensor pode distinguir entre ar fresco (ou seja, ar limpo, principalmente nitrogênio, oxigênio e umidade) e ar usado com poluentes adicionais. Normalmente, quando as pessoas estão presentes em salas, o ar exalado é uma das razões mais importantes para a má qualidade do ar. Saber a quantidade de ar exalado contido no ar ambiente ajuda a otimizar a ventilação e, portanto, ajuda a prevenir a transmissão de infecções como o SARS-CoV-2. ⁵ Embora os sensores de VOC não possam detectar vírus diretamente, eles contribuem indiretamente para a saúde e o bem-estar das pessoas.

O software inteligente transforma os dados coletados do sensor em saídas úteis para os usuários. Combinando técnicas modernas de detecção de gás com inteligência artificial, diferentes condições ambientais podem agora ser reconhecidas e classificadas, o que permite muitas novas aplicações.

Vamos considerar um exemplo avançado de avaliação de risco para mapeamento do clima da floresta e detecção precoce de incêndios florestais. Primeiro, uma rede de sensores mapeia toda a área com uma visão em tempo real de todas as atividades ambientais. Em segundo lugar, o aprendizado de máquina é usado para criar um modelo matemático baseado em dados brutos para classificar e prever diferentes situações e avaliar o risco. E, em terceiro lugar, o Edge AI é usado para adaptar o produto final às condições específicas da área do usuário individual e para reduzir o consumo de energia.

Figura 3:O exemplo do clima da floresta

Outra aplicação pode ser detectar quando a fralda de um bebê precisa ser trocada. O hardware do sensor pode medir temperatura, pressão, umidade e a presença de gases - mas os pais não querem esse nível de detalhe; eles só precisam saber quando uma ação é necessária. Como cerca de 19% da população com mais de 20 anos sofre de distúrbios do olfato, esta informação “básica” pode ajudá-los a recuperar um pouco da qualidade de vida. ⁶ Um modelo matemático, desenvolvido com aprendizado de máquina, pode ser usado para traduzir os dados brutos do sensor em uma indicação de status simples, com o ajuste fino do AI do modelo em operação.

Figura 4:A aplicação da fralda

A Bosch está ampliando ainda mais o alcance do sensor de gás para adicionar novos recursos e possibilitar novos casos de uso. As novas tecnologias de detecção de gás incluirão software mais sofisticado e uma gama mais ampla de recursos de detecção de gás. Por exemplo, o sensor de gás pode detectar diferentes composições de gás - o que, quando comparado com os dados de referência, permitiria que odores sejam identificados ( Figura 5 ) Exemplos de casos de uso podem ser o monitoramento do status de limpeza de espaços públicos, classificação de mau hálito ou detecção de comida estragada.

Figura 5:A detecção ambiental detecta diferentes composições de gases.

Conclusão

Ao gerar dados de qualidade do ar precisos, em tempo real e personalizados, essas novas tecnologias de sensores mudarão a forma como avaliamos a qualidade do ar ao nosso redor e nos permitirá responder de acordo. Planejaremos melhor quando estar ao ar livre para adaptar nosso deslocamento ou atividades esportivas. Gerenciaremos a qualidade do ar dentro de nossas casas controlando a ventilação e evitando a geração de partículas. Quando adaptado em uma escala mais ampla, isso também nos ajudará a tomar decisões informadas; por exemplo, ao se mudar para uma nova área ou ao decidir para onde ir nas férias. Com a crescente consciência de manter o meio ambiente e a nós mesmos saudáveis, a demanda por aplicações de qualidade do ar continuará a crescer no futuro.

As tecnologias de detecção da qualidade do ar da Bosch são pequenas o suficiente para serem usadas em dispositivos portáteis planos, como smartphones, e de baixo custo para ampla adoção - o que trará benefícios perceptíveis para o indivíduo e para a sociedade como um todo.

Referências

¹ OMS, ‘Ambiente (exterior) poluição do ar’, https://www.who.int/news-room/…

² Departamento de Meio Ambiente, Alimentos e Assuntos Rurais, Saúde Pública:‘Sources and Effects of PM2.5’, https://laqm.defra.gov.uk/publ…

³ Harvard University, ‘Linking Air Pollution to Higher Coronavirus Death Rates’, https://www.hsph.harvard.edu/b…

⁴ https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health

⁵ Meio ambiente internacional:“Transmissão aérea de SARS-CoV-2:O mundo deveria enfrentar a realidade”, 2020, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016041202031254X

⁶ Harvard Medical School:“Transtornos do olfato:Quando seu sentido do olfato se desvia”, 2018, https://www.health.harvard.edu/blog/smell-disorders-when-your-sense-of-smell-goes-astray -2018121215539

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EEWeb.